[论文解读] Spectrum of the molecular tetraquarks: Unraveling the $T_{cs0}(2900)$ and $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$

Bo Wang, Kan Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于轻夸克交换的有效场论模型，用于描述重强子间低能S波相互作用，将最近观测到的 $T_{cs0}(2900)$ 和 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 识别为 $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ 和 $D^{(*)}K^{*}$ 系统中的分子态。该模型预测了粲夸克和粲-奇夸克体系中大量分子伙伴，并在 $D_s\pi$ 不变量质量谱中展现出与实验数据一致的线形结构。

ABSTRACT

We relate the interactions of the $\bar{D}^{(\ast)} K^\ast$ and $D^{(\ast)} K^\ast$ systems to those of $D^{(\ast)}D^{(\ast)}$ and $D^{(\ast)}\bar{D}^{(\ast)}$ respectively, considering the residual strong interactions at the near-threshold energy is too weak to excite the strange quarks inside the hadrons. We propose an effective model to describe the low-energy S-wave interactions that are undertaken by the light $u$, $d$ quarks between two separated heavy hadrons. We find that the existence of molecules in the heavy-(anti)heavy sectors will naturally lead to the emergence of molecular states in $\bar{D}^{(\ast)} K^\ast$ and $D^{(\ast)} K^\ast$ systems. The recently observed $T_{cs0}(2900)$ and $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$ can be well identified as the $0(0^+)$ and $1(0^+)$ partners of $T_{cc}(3875)$ and $Z_c(3900)$ in the charmed strange sector, respectively. We also predict their members under the {\it heavy} ($c$ and $s$) quark symmetry and SU(2) flavor symmetry. Most of them are very good molecule candidates, for example, (i) the $0(1^+)$ states in $D^\ast D^\ast$, $\bar{D}K^\ast$, $\bar{D}^\ast K^\ast$; (ii) the $0^{(+)}(2^{+(+)})$ states in $D^\ast \bar{D}^\ast$, $\bar{D}^\ast K^\ast$, $D^\ast K^\ast$; (iii) the $1^-(0^{++})$ state in $D^\ast\bar{D}^\ast$ and $1(1^+)$ state in $D^\ast K^\ast$. The $0^+(0^{++})$ state in $D\bar{D}$ and the $0(1^+)$ state in $DK^\ast$ might also exist as virtual states, and the $0(1^+)$ $DK^\ast$ can serve as a key to infer the existence of $0^+(0^{++})$ $D\bar{D}$. The $D_sπ$ invariant mass spectrum of $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$ is also studied within the coupled-channel approach, and the molecular interpretation of $T_{c\bar{s}0}^a(2900)$ is consistent with the experimental data. Searching for the predicted states in experiments is crucial to discriminate the different pictures for interpreting these near-threshold exotica.

研究动机与目标

• 将最近观测到的 $T_{cs0}(2900)$ 和 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 解释为 $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ 和 $D^{(*)}K^{*}$ 系统中的分子态。
• 通过轻夸克交换相互作用，建立 $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ 和 $D^{(*)}K^{*}$ 系统与 $D^{(*)}D^{(*)}$ 和 $D^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 系统之间的联系。
• 在重夸克对称性和SU(2)味对称性下，预测粲夸克和粲-奇夸克体系中的新分子态。
• 利用耦合通道框架，测试对 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 的分子态解释是否与实验 $D_s\pi$ 不变量质量谱一致。
• 通过线形结构分析，识别验证这些奇特态分子本质的关键实验信号。

提出的方法

• 基于两个分离的重强子中轻夸克 $u$ 和 $d$ 之间的残余强相互作用，构建有效势能模型。
• 应用重夸克对称性和SU(2)味对称性，将 $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ 和 $D^{(*)}K^{*}$ 系统与 $D^{(*)}D^{(*)}$ 和 $D^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 系统关联起来。
• 以 $T_{cc}(3875)$、$X(3872)$ 和 $Z_{c}(3900)$ 作为参考态，确定有效拉格朗日量中的低能常数（LECs）。
• 执行包含 $D_s\pi$ 和 $D^*K^*$ 通道的耦合通道计算，以模拟 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 的 $D_s\pi$ 不变量质量谱。
• 考虑 $K^*$ 介子具有有限宽度（25–50 MeV）以模拟真实的实验条件。
• 在复能平面中分析极点结构和虚态行为，以评估分子态的稳定性与共振特征。

Figure 1: The isospin triplet (left column) and singlet (right column) of the di-meson systems that contain a light $q\bar{q}$ (first row) or $qq$ (second row) pair in the SU(2) flavor symmetry, respectively.

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将 $T_{cs0}(2900)$ 和 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 解释为 $\bar{D}^{(*)}K^{*}$ 和 $D^{(*)}K^{*}$ 系统中的分子态？
• RQ2 在重夸克对称性和SU(2)味对称性下，$T_{cs0}(2900)$ 和 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 的预测分子伙伴是什么？
• RQ3 有限宽度的 $K^*$ 介子如何影响 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 的 $D_s\pi$ 不变量质量谱？
• RQ4 $0(1^{+})$ $DK^*$ 态能否作为 $0^{+}(0^{++})$ $D\bar{D}$ 分子态存在的关键探测器？
• RQ5 在 $D_s\pi$ 通道中观测到的线形结构是否与 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 的分子态（虚态）解释一致？

主要发现

• 将 $T_{cs0}(2900)$ 和 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 识别为粲奇夸克体系中 $T_{cc}(3875)$ 和 $Z_{c}(3900)$ 的 $0^{+}$ 和 $1^{-}$ 对应态。
• $D^*D^*$、$\bar{D}K^*$ 和 $\bar{D}^*K^*$ 中的 $0(1^{+})$ 态被预测为具有强束缚或虚态特征的良好分子候选态。
• $D^*\bar{D}^*$、$\bar{D}^*K^*$ 和 $D^*K^*$ 中的 $0^{+}(2^{+})$ 态也被预测为可行的分子态。
• $D^*\bar{D}^*$ 中的 $1^{-}(0^{++})$ 态和 $D^*K^*$ 中的 $1(1^{+})$ 态被识别为强分子候选态。
• $D\bar{D}$ 的 $0^{+}(0^{++})$ 和 $DK^*$ 的 $0(1^{+})$ 态可能以虚态形式存在，后者可作为探测前者的关键探针。
• 对 $T_{c\bar{s}0}^{a}(2900)$ 的耦合通道分析表明，当 $K^*$ 宽度取 25–50 MeV 时，分子态解释与 $D_s\pi$ 不变量质量谱高度一致。

Figure 2: The schematic diagrams for the near-threshold interactions that are undertaken by the light quark interplays. The thick, thin and dashed lines denote the heavy quarks ( $c$ and $s$ ), light quarks ( $u$ and $d$ ) and the exchanged mesons (isospin triplet plus the singlet), respectively.